Désintégration bêta ( β )
La désintégration bêta est un processus de transformation nucléaire régi par l’interaction faible. Dans ce cadre, un neutron peut se convertir en proton (β⁻) ou, inversement, un proton en neutron (β⁺), par un changement de saveur des quarks.
Au cours de la transformation, un boson virtuel $W$ est émis ; celui-ci se désintègre presque aussitôt en un électron et un antineutrino électronique (β⁻), ou bien en un positron et un neutrino électronique (β⁺).
Ce mécanisme modifie l’équilibre entre protons et neutrons, permettant au noyau d’atteindre une configuration plus stable.
Dans quelles conditions survient-elle ?
La désintégration bêta se produit lorsqu’un noyau présente un excès ou un déficit de neutrons par rapport aux protons.
Dans ces cas, l’interaction faible convertit un neutron en proton (β⁻) ou un proton en neutron (β⁺), rétablissant ainsi un nouvel équilibre.
La désintégration β⁻ peut également se produire chez les neutrons libres, instables en dehors du noyau, qui se transforment spontanément en protons.
Remarque. La désintégration bêta engendre également un rayonnement bêta, constitué d’électrons (β⁻) ou de positrons (β⁺), accompagnés d’un neutrino ou d’un antineutrino. Ce rayonnement emporte l’énergie excédentaire libérée lors de la transformation nucléaire.
Désintégration β-
Lorsqu’un noyau contient un excès de neutrons, il peut se stabiliser en transformant l’un d’eux en proton.
Comment un neutron se transforme-t-il en proton ?
À l’échelle subatomique, cela se produit lorsqu’un quark down à l’intérieur du neutron se convertit en quark up.
Lorsqu’un quark down $(-\tfrac13 e)$ interagit avec le champ faible (champ W), il peut se transformer en quark up $(+\tfrac23 e)$, augmentant ainsi sa charge de $+1e$.
Pour préserver la charge totale du système, un boson virtuel $W^-$ est émis simultanément ; sa charge $-1e$ compense exactement l’augmentation de $+1e$ du quark.
$$ d^{-\frac13} \;\longrightarrow\; d^{-\frac13+1} + W^{-1} \;\longrightarrow\; u^{+\frac23} + W^{-1} $$
Autrement dit :
$$ d \;\longrightarrow\; u + W^- $$
Le boson $W^-$, instable, se désintègre presque instantanément en un électron et un antineutrino électronique :
$$ W^- \;\longrightarrow\; e^- + \bar{\nu}_e $$
Le bilan final est la conversion d’un neutron en proton :
$$ n \;\longrightarrow\; p + e^- + \bar{\nu}_e $$
On peut représenter ce processus à l’aide d’un diagramme de Feynman :
Ici, un électron et un antineutrino électronique sont émis. Ensemble, ils constituent le rayonnement bêta négatif (β⁻).
Après la désintégration, le numéro atomique $Z$ de l’atome augmente d’une unité (apparition d’un proton supplémentaire), tandis que le nombre de masse $A$ demeure inchangé, puisque le total des nucléons (protons + neutrons) reste le même.
Désintégration β+
Lorsqu’un noyau présente un excès de protons, il peut se stabiliser en transformant un proton en neutron.
Comment un proton se convertit-il en neutron ?
Cela se produit lorsqu’un quark up à l’intérieur du proton se transforme en quark down.
Quand un quark up $(+\tfrac23 e)$ interagit avec le champ faible, il peut se convertir en quark down $(-\tfrac13 e)$, réduisant ainsi sa charge de $1e$.
Pour conserver la charge totale, un boson $W^+$ est émis simultanément avec une charge de $+1e$, compensant la perte de $-1e$ du quark.
$$ u^{\frac23} \;\longrightarrow\; u^{\frac23-1} + W^{+1} \;\longrightarrow\; d^{-\frac13} + W^{+1} $$
ou, plus simplement :
$$ u \;\longrightarrow\; d + W^+ $$
Le boson $W^+$, instable, se désintègre presque immédiatement en un positron et un neutrino électronique :
$$ W^+ \;\longrightarrow\; e^+ + \nu_e $$
Qu’est-ce qu’un positron ? C’est l’antiparticule de l’électron : même masse, mais charge positive. Il s’agit d’une particule d’antimatière.
Le résultat global est la conversion d’un proton en neutron :
$$ p \;\longrightarrow\; n + e^+ + \nu_e $$
Ce processus peut également être représenté par un diagramme de Feynman :
Dans ce cas, un positron et un neutrino électronique sont émis. Ensemble, ils forment le rayonnement bêta positif (β⁺).
Après la désintégration, le numéro atomique $Z$ diminue d’une unité (un proton en moins), tandis que le nombre de masse $A$ reste constant puisque le total des nucléons demeure inchangé.
Rayonnement gamma
Dans certaines désintégrations bêta, un rayonnement gamma (γ) peut également être émis.
Cela se produit lorsque, après la désintégration, les nucléons (protons et neutrons) du noyau restent dans un état excité de plus haute énergie.
En revenant à leur état fondamental, ils libèrent l’excédent d’énergie sous forme de photons γ, particules lumineuses d’une énergie extrêmement élevée.
Remarque. Ce processus est comparable aux transitions d’énergie des électrons dans les orbitales atomiques, mais dans le cas des nucléons, l’énergie en jeu est bien plus importante puisqu’il s’agit d’énergie nucléaire et non électronique.
Le rayonnement γ est extrêmement énergétique et beaucoup plus pénétrant que le rayonnement alpha (α) ou bêta (β).
Le rôle des neutrinos dans la désintégration bêta
L’énergie transportée par la particule bêta et les photons gamma ne suffit pas, à elle seule, à rendre compte de toute l’énergie libérée lors de la désintégration.
L’« énergie manquante » est emportée par une autre particule fondamentale : le neutrino.
Le neutrino est une particule subatomique de masse quasi nulle et sans charge électrique. Il est systématiquement produit dans la désintégration bêta afin d’assurer la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement totales du système.
On distingue principalement deux types :
- Neutrino électronique ($\nu_e$), émis lors de la désintégration β⁺.
- Antineutrino électronique ($\bar{\nu}_e$), émis lors de la désintégration β⁻, aux propriétés opposées à celles du neutrino.
Exemple de réaction nucléaire
La réaction nucléaire suivante illustre la désintégration bêta moins du thorium-234. Le noyau émet un électron ( e- ), tandis qu’un neutron se convertit en proton. Un antineutrino ($\nu$) est également libéré.
Le noyau obtenu n’est plus un isotope du thorium (Th), mais devient un isotope du protactinium (Pa), car la composition en nucléons a changé : le numéro atomique passe de 90 à 91, tandis que la masse atomique reste fixée à 234. Le produit final est donc un nouvel élément chimique.
